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Cycle Chart, after Hardenbol et al., 1998
Vostok Ice Core -- Température et CO2
Le moteur du climat: les cycles de Milankovitch
Le climat est sensible à la radiation solaire reçu par la surface de la terre: sa
quantité totale, mais aussi sa répartition latitudinale et temporelle (saisonnière).
Trois cycles, sont rélevant dans ce contexte: les cycles d’eccentricité, obliquité et
précession.
L’astronome Serbe Milutin Milankovitch était le premier à calculer en détail les
fluctuations temporelles de l’intensité et répartition de la radiation solaire sur la
surface de la terre (publications en 1932-1941). Une des contributions majeures de
Milankovitch était le calcul de la variabilité d’insolation dans le passé, pour
différentes latitudes.
Depuis les années 1970, les solutions astronomiques ont été améliorées d’une façon
très significative.
Une année: rotation de la terre autour du soleil
A cette échelle de temps la position de l’axe de la terre est fixe par rapport à
l’orbite de la terre autour du soleil
Conséquence:
une saison avec l’hémisphère nord éloigné du soleil
une saison (6 mois plus tard) avec l’hémisphère nord plus près du soleil
Une rotation:
1) solstice boréal d’hiver: hémisphère nord + loin du soleil: journée la + courte!
= début hiver sur l’hémisphère nord
2) équinoxe boréale de printemps: jour et nuit ont la même durée partout sur la terre,
deux pôles à une même distance du soleil
3) solstice boréal d’été
4) équinoxe boréale d’automne
Cycle saisonnière: Notez l’importance de la position fixe de l ’axe de la terre à cette
échelle de temps. Sans inclinaison de l ’axe on n ’aurait pas de saisons!!
Le moteur du climat: les cycles de Milankovitch
Le cycle d’eccentricité concerne la variation de la forme de l ’orbite de la terre
autour du soleil. Cette forme varie de presque circulaire à nettement elliptique
(ovale).
Un ellipse à 2 points focaux; quand l ’ellipse devient un cercle, les deux points
focaux s ’approchent, pour se joindre dans un cercle parfait. Le soleil occupe un
des deux points focaux de l ’orbite de la terre.
Pour cette raison, pendant un maximum d’eccentricité (ellipse bien formé), au
cours de son trajectoire annuel, la terre passe par un point où elle est au plus près
du soleil (‘périhélion’), et un point où elle est au plus loin (‘aphélion’).
Qaund l ’orbite est presque circulaire (un minimum d’eccentricité) la distance
entre la terre et le soleil est presque constant au cours de l ’année.
L ’eccentricité de l ’orbite terrestre change d ’une façon cyclique, avec 3 périodes
principales: 94,800 ans, 123,800 ans, et 404,000 ans. Dans les études
paléoclimatiques ces périodes sont souvent simplifiées en utilisant des périodes
apparentes de 100,000 and 400,000 ans.
2. Cycle d’Eccentricité
100,000/400,000 ans
Orbite de la terre autour du soleil (pas à l’échelle!!). Noter que les dates des équinoxes et
solstices sont différentes des dates de l’aphélion et perihélion!
Ces dates sont valables aujourd’hui, mais changent au cours du temps, selon le cycle de
précession (dans la direction de la flèche).
Le cycle de précession est également essentiel pour le climat. Ce cycle est basé sur le phénomène
que à long terme, l ’axe de rotation de la terre n ’est pas fixe (comme à plus court terme), mais
tourne, à la façon d ’un toupie.
Il ne s ’agit pas d ’une variabilité de l ’angle (= cycle d ’obliquité) mais de changements dans la
direction de l ’axe de rotation dans l ’espace. Aujourd’hui cet axe pointe vers Polaris, un demi
cycle de précession plus loin --> vers Véga.
Un cycle complèt de précession dure 26,000 years. Néanmoins, d ’autres paramètres de
l ’interaction des mouvements de la terre et du soleil rentrent en jeu (l ’orbite elle-même tourne
autour du soleil, etc..), et par conséquence, la précession se manifeste avec 2 périodicités
dominantes: une périodicité majeure autour de 23,000 ans, et une périodicité mineure
d ’environs 19,000 ans. On utilise souvent une valeur approximative de 22,000 ans pour le
résultat des deux ensemble.
Le cycle de précession influence le climat en causant un changement lent des dates des solstices et
équinoxes le long de l ’orbite. Un quart de cycle en arrière (il y a environs 5500 ans), le périhélion
était atteint près de l ’équinoxe boréal d ’automne. Il y a 11,000 ans, le périhélion avait lieu près du
solstice boréal d ’été.
Périhélion en hiver --> saisonnalité minimale
Périhélion en été --> saisonnalité maximale
Figure 7. The earth’s precession wobble. One revolution takes 26,000 years
1. Cycle de Précession (22,000 ans)
Les impacts climatiques des cycles de précession et eccentricité doivent être
considérés ensemble.
Aujourdh’ui, avec une orbite légèrement elliptique, le périhélion se situe près du
solstice boréal d ’hiver, 3 Janvier et 21 Décembre, respectivement. L’aphélion se situe
près du solstice boréal d ’été (4 Juillet et 20 Juin, respectivement).
Quand l ’orbite décrit un cercle, ces différences sont négligables. Aujourd’hui, avec une
orbite légèrement elliptique, la radiation solaire reçue par les endroits ensoleillés du
globe sera donc légèrement plus importante en hiver boréal (été australe) qu’en été
boréale.
En effet, ceci diminue le contraste saisonnier sur l ’hémisphère nord, et augmente le
contraste saisonnier sur l ’hémisphère sud. Le cycle de précession, parallèllement,
cause des changements de la distribution des saisons autour de l ’orbite. Il y a 11000 la
situation était l ’inverse d ’aujourd’hui, avec périhélion près du solstice boréal d ’été.
Cette configuration augmenterait le contraste saisonnier sur l ’hémisphère nord.
En resumé: le cycle de précession cycle contrôle le contraste saisonnier
d ’insolation, tandis que son impact dépend du degré d’eccentricité de l ’orbite. Il
n ’y a pas d ’impact dans le cas d ’une orbite circulaire, tandis que dans une période
d ’eccentricité maximale, l ’impact de la précession est maximale!
Obliquité
Le cycle d’obliquité concerne un changement graduel de l ’angle de l ’axe de
rotation de la, relatif à, la normale sur le plan de l ’orbite de la terre.
Cet angle varie de 22.5 à 24.5 degrés sur une période de 41,100 years.
Aujourd’hui, l ’angle est de 23.5 degrés. Par conséquence, pendant le solstice
boréal d ’été, le soleil se situe au dessus de 23.5º Nord (le Tropique de
Cancer). Pendant le solstice boréal d ’hiver, le soleil est au dessus de 23.5º Sud
–Tropique de Capricorne. Sue une terre parfaitement ronde, la position des
tropiques devaient donc changer entre 22.5 and 24.5º de latitude – les valeurs
réelles sont de 22.04 et 24.45º.
L’obliquité influence la quantité d’énergie solaire reçue à haute latitude. Avec
une forte inclinaison, les pôles reçoivent plus de lumière solaire, et l ’angle
d ’impact des rayons solaires est moins faible, diminuant leur réflexion, et
augmentant l ’absorption de chaleur!
Cycle d’Obliquité (41,000 ans)
La relation entre l ’obliquité (inclinaison), et les positions des tropiques de Cancer et
Capricorne. L ’inclinaison de l ’axe de rotation de la terre varie entre 22.5 et 24.5 degrés,
sur un cycle de 41,100 ans. Aujourd’hui, cet angle est 23.5 degrés.
NB. Dans le dessin, cet angle a été exagéré!!
Insolation à 65° N
Vostok Ice Core -- Température et CO2